Une équipe de scientifiques étudiant la division cellulaire a développé un système de microscopie optique spécial et l'a utilisé pour analyser la densité moléculaire des environnements cellulaires. Leurs résultats offrent un nouvel aperçu de la condensation mitotique des chromosomes dans les cellules humaines vivantes.
Leurs travaux sont publiés dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) le 27 août 2024.
Pour mener à bien leur étude, l’équipe a développé un système de microscopie à contraste interférentiel différentiel indépendant de l’orientation (OI-DIC) combiné à un microscope confocal à balayage laser capable de cartographier avec précision les différences de chemin optique et d’estimer les densités moléculaires.
La condensation mitotique des chromosomes est un processus essentiel pour la transmission des chromosomes répliqués à deux cellules filles lors de la division cellulaire. Pour étudier les principes physiques sous-jacents de ce processus, nous avons cherché à savoir si l'attraction de déplétion, une force qui attire les grandes structures dans les environnements cellulaires surpeuplés, est impliquée dans ce processus.
Shiori Iida, Laboratoire de dynamique du génome, Institut national de génétique
Lors du processus de condensation des chromosomes, les brins de chromatine sont compactés en chromosomes courts. Ce processus rend les chromosomes rigides pour résister à la force de traction du fuseau. Bien que plusieurs protéines impliquées dans le processus de condensation, notamment les condensines et la topoisomérase IIα, aient été identifiées et étudiées de manière approfondie, les bases physiques du processus de condensation restent floues. « En utilisant une microscopie optique spéciale récemment développée, qui peut imager la densité moléculaire des environnements cellulaires, nous avons découvert que l'encombrement autour des chromosomes augmente pendant la division cellulaire (Figure 1), conduisant à une augmentation de l'attraction de déplétion. Nos résultats suggèrent que l'augmentation de l'attraction de déplétion rend les chromosomes plus rigides, assurant une transmission chromosomique précise pendant la division cellulaire (Figure 2) », a déclaré Iida.
« Notre nouveau système de microscopie optique nous a permis d'obtenir des images confocales et de différence de chemin optique à haute résolution adaptées pour obtenir des densités absolues précises dans les cellules vivantes. Cette imagerie OI-DIC est capable de générer une image volumique 3D de l'indice de réfraction et de la densité moléculaire, ou masse sèche, dans les cellules vivantes. Avec le système OI-DIC, nous avons quantifié la densité absolue des molécules autour des chromosomes pendant la mitose des cellules vivantes », a déclaré Michael Shribak du laboratoire de biologie marine de Woods Hole. L'équipe a analysé les densités absolues dans le cytoplasme et le nucléoplasme à divers stades du cycle cellulaire des cellules humaines HCT116 et des cellules indiennes Muntjac DM. Les cellules humaines HCT116 sont des cellules cancéreuses du côlon humain. Les Muntjac indiens sont des cerfs qui ont le nombre de chromosomes le plus faible de tous les mammifères, ce qui rend leurs cellules idéales pour la recherche sur la mitose.
Leur analyse a montré que la densité moléculaire entourant les chromosomes augmentait avec la progression de la prophase à l'anaphase de la mitose, ce qui coïncidait avec la condensation des chromosomes (Figure 1). Cependant, la densité moléculaire diminuait en télophase, lorsque la décondensation des chromosomes commençait. En utilisant un traitement hypotonique ou hypertonique des cellules mitotiques, l'équipe a observé des changements constants dans les niveaux de condensation des chromosomes. Avec le traitement hypertonique des cellules mitotiques, la densité et la condensation chromosomique induite ont augmenté rapidement, tandis que le traitement hypotonique avait l'effet inverse.
Pour étayer leurs conclusions sur les cellules HCT116, l’équipe a examiné une autre lignée cellulaire, les cellules indiennes Muntjac DM. Ces cellules DM sont dérivées de cellules fibroblastes de cerf et possèdent de très gros chromosomes mitotiques. Les résultats obtenus avec les cellules DM ont confirmé leurs conclusions sur les cellules humaines HCT116. Cela suggère qu’une augmentation transitoire de la densité de l’environnement chromosomique peut être une caractéristique commune aux cellules mitotiques.
L'équipe a découvert que les concentrations plus élevées de macromolécules condensent la chromatine et la rendent plus rigide et plus solide. in vitro« À notre connaissance, nous sommes les premiers à démontrer que l'attraction d'épuisement/l'encombrement macromoléculaire convertit les condensats de chromatine fibreuse formés par les cations en gouttelettes liquides. in vitro« , a déclaré Kazuhiro Maeshima du Laboratoire de dynamique du génome, de l'Institut national de génétique et de l'Institut de hautes études avancées, SOKENDAI.
« Nos résultats suggèrent que l'augmentation de l'attraction de déplétion rend les chromosomes plus rigides, assurant une transmission chromosomique précise pendant la division cellulaire. Une augmentation transitoire de la densité moléculaire semble être induite par la rupture de la membrane nucléaire pendant la mitose (Figure 2). Lors de la rupture de la membrane nucléaire, l'enveloppe nucléaire, les complexes de pores nucléaires, la lame nucléaire et les nucléoles sont désassemblés en petits morceaux. En conséquence, les facteurs cytoplasmiques et nucléolaires sont exposés aux chromosomes et contribuent pleinement à une augmentation de l'attraction de déplétion. Cela nous donne un nouvel aperçu des bases physiques de la condensation des chromosomes mitotiques dans les cellules humaines vivantes », a déclaré Maeshima.
« Dans cette étude, nous avons découvert que les chromosomes mitotiques sont condensés par une force physique connue sous le nom d'attraction d'épuisement au cours de la division cellulaire. À l'avenir, nous souhaitons élucider comment les propriétés physiques de l'ADN et les forces physiques affectant leurs propriétés contribuent aux transactions de l'ADN, y compris la transcription, la réplication et la réparation de l'ADN », a déclaré Iida.
